Sistemi Avionici ed Equipaggiamenti di Bordo

Introduzione ai Sistemi Avionici

• Il termine "Avionica" indica l'insieme di elettroniche e funzionalità sempre più complesse e diversificate utilizzate in aeronautica.
• La storia dei sistemi avionici inizia negli anni '30 e prosegue nel corso della II Guerra Mondiale, con sviluppi militari e successivi sviluppi civili.
• Attualmente, circa il 50% del costo di un velivolo, di un sistema d'arma o di un veicolo spaziale è imputabile ai sistemi avionici.

Funzionalità dei Sistemi Avionici

• I sistemi avionici hanno diverse funzioni, tra cui:
  • Comunicazione: capacità di comunicare a bordo del velivolo, con altri velivoli o con stazioni di terra.
  • Sorveglianza e Identificazione: osservare l'ambiente circostante e identificare altri velivoli e oggetti.
  • Navigazione: determinare la posizione e la velocità del velivolo e determinare rotte e posizioni di waypoint.
  • Controllo del Volo: determinare l'assetto del velivolo e controllarlo.
  • Gestione del Veicolo: gestione degli housekeeping data di tutti i sistemi imbarcati.
  • Difesa: capacità di rilevare, localizzare e identificare le minacce e di attivare le adeguate contromisure.

Evoluzione dei Sistemi Avionici

• Due principali passaggi evolutivi nello sviluppo dei sistemi elettronici di bordo:
  • Anni '60/'70: introduzione dei transistor e quindi dei componenti a stato solido, che sostituiscono tubi e valvole.
  • Anni '70/'80: avvento dei circuiti integrati.

Calcolatori Avionici

• I calcolatori per l'avionica sono Embedded Systems, basati su un processore che lavora in tempo reale per controllare un sottosistema.
• Devono lavorare in ambienti ostili a causa delle condizioni esterne e delle interferenze elettromagnetiche interne.### Architettura dei computer avionici
• I computer avionici utilizzano microprocessori e combinano hardware e software per processare grandi quantità di dati in breve tempo.

Componenti hardware

• ASIC (Application Specified Integrated System): esegue un'unica operazione in modo estremamente ottimizzato e non è riprogrammabile.
• FPGA (Field Programmable Gate Array): composto da una parte programmabile e da una non programmabile.
• DSP (Digital Signal Processor): esegue molte operazioni diverse in modo non ottimizzato.

Sistemi di controllo

• I sistemi di controllo sono la base dei calcolatori e degli equipaggiamenti avionici.
• I principali sistemi di controllo sono quelli ad anello aperto e ad anello chiuso con feedback.

Data handling

• Il sistema di gestione dei dati combina le informazioni dalle varie fonti e le rende disponibili ad essere scaricate (downlink) o utilizzate a bordo.

Condizionamento e protezione del segnale

• Il cablaggio del velivolo può funzionare come un'antenna, specialmente in strutture composite.
• Misure specifiche devono essere adottate per limitare gli effetti di picchi di tensione e corrente dovuti a fulmini, HIRF (High Intensity Radio Fields) e interferenze con altri componenti elettronici.
• Protezioni aggiuntive:
  • Voltage clamping: protegge dai picchi di tensione.
  • EMI Filtering: elimina il rumore RF e minimizza le sovracorrenti.
  • Surge protection: minimizza le sovracorrenti dovute ad effetti esterni.
  • Isteresi: evita le resistenze magnetiche nel passaggio del segnale da 0 a 1 e viceversa.

Multiplexer - MUX

• Il multiplexer serializza i segnali di ingresso e li seleziona attraverso i select pins (segnale binario) e li invia uno a uno all'output.
• Ad esempio: MUX 16 canali → 4 select pins - 24, MUX 8 canali → 3 select pins - 23.

Analog to Digital converter - ADC

• Il convertitore analogico-digitale esegue le due operazioni di sampling (campionamento nel tempo) e quantizzazione (nella tensione) di un segnale analogico.
• Il sampling è governato dal Teorema di Nyquist: fc > 2,2 · fm.
• Il massimo errore di quantizzazione è definito come max( E) = 0,5 · ∆V.
• Parametri importanti degli ADC:
  • Refresh rate: intervallo tra due output di dati consecutivi.
  • Latenza: tempo necessario a ricevere l'output dato l'input.
  • Uso dei filtri anti-aliasing.

Conversione digitale-analogico

• Il processo che genera un segnale analogico a gradini, a partire dalla serie di dati quantizzati digitali, è detto Zeroth Order Hold (ZOH).

• Il circuito ZOH produce informazioni continue fisse in una scala a gradini.

• La scala viene filtrata per smussare i gradini e ottenere un segnale analogico quasi sinusoidale.### Componenti di un Calcolatore

• Un calcolatore è composto da una Central Processing Unit (CPU), memoria (RAM e ROM), input e output (I/O), un Address bus, un Data bus e un Control bus.

Gestione del Tempo

• La gestione del tempo è importante per la sincronizzazione e la datazione delle informazioni.
• I parametri critici per la gestione del tempo sono: granularità della parola tempo (Time word granularity), requisiti di stabilità (Stability requirement) e incertezza accettabile (Acceptable uncertainty).
• Gli orologi atomici hanno una grande stabilità.

Elaborazione in Tempo Reale

• L'elaborazione in tempo reale è la gestione e l'elaborazione delle informazioni mentre l'evento avviene o subito dopo la creazione dell'informazione.
• Esistono due tipi di elaborazione in tempo reale: Hard real-time, che richiede dati elaborati entro un tempo determinato, e Soft real-time, che richiede l'esecuzione delle richieste il più presto possibile.

Watchdog Timer

• Il Watchdog timer è un elemento che verifica che hardware e software del computer funzionino come previsto.
• In caso di guasto, il Watchdog timer esegue un'azione di ripristino predeterminata, come un reset del computer o un'interruzione.

Memoria

• La memoria conserva la sequenza di istruzioni da eseguire, spazio per costanti, variabili e risultati in output.
• La memoria è divisa in tre tipi: ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) e Memoria Flash.
• La ROM è una memoria non volatile che conserva dati permanenti, come il codice dei programmi.
• La RAM è una memoria volatile che conserva dati transitori e variabili utilizzate dai programmi.

Appunti del corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Torino. Il quiz tratta delle funzionalità dei sistemi avionici, calcolatori avionici e architetture dei sistemi avionici.